基于PLC的切割机系统设计(1)

毕业设计（论文）

题 目 基于PLC的自动切锁管机控制系统设计 指导教师 院 别 班 级 学 号 姓 名

二〇一一年三月二十日

基于PLC的自动切锁割机控制系统设计

基于PLC的自动切锁管机控制系统设计

摘 要：

随着自动行业的发展，在生活生产中到处都出现了不同种类的自动化设备。在当今的工业领域中，板材管料切割是成品加工过程中最为重要的步骤，也是保证成品质量的重要工序。

本文在基于PLC的切割机控制系统设计中，设计了PLC控制系统总体方案，给出了软、硬件设计与实现方案。在硬件设计部分，阐述了电动机主电路及其电器控制电路的设计过程，给出了这两个电路的电器元件的选择结果。在控制电路的设计部分，阐述了I/O接线图的设计过程，给出PLC及其输入／输出元件的选择结果。在软件设计部份详细地阐述了PLC用户程序的设计过程，其中包括对公用程序、手动程序、自动程序与故障报警程序的设计过程的阐述，并给出了上述所有程序的梯形图和指令表。

关键词：切割机；PLC；控制系统。

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基于PLC的自动切锁割机控制系统设计

The System Design of The Automatic Cutting Machine Base on PLC

Profession：Automation Class：D072 Name：Zheng-Zhong Instructor：Ganfei Lou

Abstract:

With the development of automatic industry,various kinds of automatic equipments appear all around of our life and production.In today's industrial field,Incising the material of tube and plank stuff is not only the most important step during the procedure of processing finished products but the important process of ensuring the products'quality.

Designed the PLC control system a total project in according to the PLC static cutting the machine control system design, give soft, hardware design and carry out a project. Design part in the hardware, elaborate the design process of the electric motor main electric circuit and its electric appliances control electric circuit, gave the choice of these two electric appliances components of electric circuits the result. Be controlling the design part of the electric circuit, elaborate I/O to connect the design process of the line diagram, give the PLC and the choice of its input/output component the result. Design the design process that the part elaborated the PLC customer procedure in detail in the software, include among them to the public procedure, hand to move the design process that the procedure, automatic procedure and give alarm signal procedure to elaborate, and gave above-mentioned all trapezoid diagrams of procedures and the repertoire. Keywords:cutter; PLC; control system

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基于PLC的自动切锁割机控制系统设计

目 录

第一章 概述 ................................................................................................................................................... 1 1.1 切割机发展现状 ................................................................................................................................... 1 1.2 切割机控制方法与控制系统的确定 ................................................................................................... 1 1.3 PLC的特点 .......................................................................................................................................... 2 1.4 本文主要设计内容 ................................................................................................................................ 3 第二章 系统的设计 ....................................................................................................................................... 4 2.1 切割机主要构造及技术参数 ............................................................................................................... 4 2.1.1 切割机主要构造及动作过程 ....................................................................................................... 4 2.1.2 切割机技术参数 ........................................................................................................................... 4 2.2 电气元件的选择 ................................................................................................................................... 5 2.3 控制电路设计 ....................................................................................................................................... 8 2.3.1 控制系统电路图 ........................................................................................................................... 8 2.3.2 PLC硬件接线图及I/O端口分配 ............................................................................................... 9 2.3.3 电气元件的配置 ......................................................................................................................... 12 第三章 软件设计 ......................................................................................................................................... 14 3.1 系统的软件设计概述 ......................................................................................................................... 14 3.2 公用程序设计 ..................................................................................................................................... 14 3.3 手动程序设 ......................................................................................................................................... 15 3.4 自动程序设计 ..................................................................................................................................... 16 3.4.1 自动控制程序 ............................................................................................................................. 16 3.4.2 自动输出程序 ............................................................................................................................. 19 3.4.3 自动回原点程序 ......................................................................................................................... 20 3.5 报警程序 ............................................................................................................................................. 21 第四章 系统的安装与调试 ......................................................................................................................... 22 4.1 程序的仿真和调试 ............................................................................................................................. 22 4.2 系统的安装 ......................................................................................................................................... 22 第五章 总结 ................................................................................................................................................... 24 参考文献 ......................................................................................................................................................... 25 致谢词 ............................................................................................................................................................. 26 附录一 PLC外部接线图 .............................................................................................................................. 27 附录二 元件清单 ....................................................................................................................................... 28 附录三 总程序指令表 ................................................................................................................................. 29

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第一章 概述

随着自动行业的发展，在生活生产中到处都出现了不同种类的自动化设备。在当今的工业领域中，板材管料切割是成品加工过程中最为重要的步骤。也是保证成品质量的重要工序。利用先进的现代切割技术，不但可以保证产品的质量，提高劳动生产率，同时也使得企业产品的制造成本大幅度下降，缩短了产品生产周期。

1.1 切割机发展现状

国外生产制造切割机或拥有切割机技术的有：西波列斯(SIPOREX)公司、求劳克斯(DUROX)公司、伊通(YTONG)公司、司梯玛(STEMA)公司、海波尔(HEBEL)公司、道斯腾(DORSTENER)公司、威汉(Vv3EHRHAHN)公司、乌尼泊尔(UNIPOL)公司、赫腾(HETEN)公司等。

为了学习、借鉴国外发展加气混凝土的技术和经验，建立并发展我国加气混凝土工业，我国先后引进了外国技术和设备。

1.2 切割机控制方法与控制系统的确定

切割机控制系统有继电器控制、单片机控制、PLC控制等。现将几种控制系统作出分析比较选取最优的控制系统来实现其功能。

（1）PLC与继电器控制的比较 1.功能强，性能价格比高

2.硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强 3.可靠性高，抗干扰能力强 4.系统的设计、安装、调试工作量少 5.编程方法简单

6.维修工作量少，维修方便 7.体积小，能耗低 （2）PLC与单片机的比较

1． 对单项工程或重复数极少的项目，采用PLC方案是明智、快捷的途径，成功率高，可靠性好，但成本较高。

2．对于量大的配套项目，采用单片机系统具有成本低、效益高的优点，但这要有相当的研

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发力量和行业经验才能使系统稳定、可靠地运行。最好的方法是单片机系统嵌入PLC的功能，这样可大大简化单片机系统的研制时间，性能得到保障，效益也就有保证。

1.3 PLC的特点

1.高可靠性：所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离。各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为10～20ms.各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。采用性能优良的开关电源。对采用的器件进行严格的筛选。良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措施，以防止故障扩大。大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,使可靠性更进一步提高。

2.丰富的I/O接口模块PLC针对不同的工业现场信号，如：交流或直流；开关量或模拟量；电压或电流；脉冲或电位；强电或弱电等。有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，如：按钮；行程开关；接近开关；传感器及变送器；电磁线圈；控制阀等直接连接。另外为了提高操作性能，它还有多种人-机对话的接口模块; 为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块，等等。

3.采用模块化结构为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件，包括CPU，电源，I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。

4.编程简单易学PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。

5.安装简单，维修方便PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。

6. PLC的功能： (1) 逻辑控制。 (2) 定时控制。 (3) 计数控制。 (4) 步进(顺序)控制。 (5) PID控制。

(6) 数据控制：PLC具有数据处理能力。

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(7) 通信和联网。

(8) 其它：PLC还有许多特殊功能模块，适用于各种特殊控制的要求，如：定位控制模块，CRT模块。

1.4 本文主要设计内容

大学期间我到鸿利锁业公司实习，该公司现在正在自主研发自动化设备仪器来代替人工操作来提高产量和利润。其中也与我所学专业有很大的关联。我有幸参与了其中一台设备的制造线路的连接以及调试工作。

为了使物料精确度更高、操作更方便、安全系数更高，该厂自行设计了这台由PLC为控制核心的切割机，虽然市场上有很多自动的或者更加先进的切割机，但是由于厂里产品形状等特殊原因，所以自行设计了一台自动的切割机。

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第二章 系统的设计

2.1 切割机主要构造及技术参数 2.1.1 切割机主要构造及动作过程

该设计主要由电气控制箱、刀架、台面、刀片组成，如图2.1所示。台面是由两排滑轮组成的，用来夹紧锁管和推进锁管。

图2.1 切割机结构示意图

切割过程：启动机器，先将刀架回原点，将锁管放置在台面上锁紧台面；设定好要切割的厚度和长度；然后启动连续切割，机械就会自动切割管材，直到切完为止。

2.1.2 切割机技术参数

切割机技术参如下：

表2.1 切割机技术参数

切割机性能： 切割显示分辨率 切割尺寸精度 刀架有效行程 切割循环次数 整机质量 数值 0.01 ±1 50~70 5-50 ≤1 表2.2 切割机电气系统参数 单位 mm mm mm 次 T 4

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电气系统参数： 动力系统工作电压 控制系统工作电压 推料电机功率 刀片电机功率 刀架电机功率 总装机功率 数值 380 220 1.5 4.0 1.1 7.1 单位 V V kW kW kW kW 2.2 电气元件的选择

1.主电路的电机选择

电动机是主要的动力机械，它的应用是非常广泛的，所以就其全国电动机的总耗电量来说，它是极为可观的。因此，合理选择电动机是相当重要的，它直接关系到生产机械的运行安全和投资效益。电动机的选择内容包括电动机种类、外壳型式、额定电压、额定转速、额定功率、各项性能等

根据主电路的要求和控制方式结合以上对电机的各项标准和参数的介绍可确定主电路所用的元件的型号和参数。刀片电机的是用来带动电锯并切割材料，所选的电机功率要大，转速要高。刀架电机用来控制刀片的上下移动，而刀片的移动并不能很快，所以所选的电机转速要稍微低，虽有蜗轮减速，带在经济角度考虑下，可以用转速小、功率低的电机以节约成本。台面电机控制材料的进给，定位须准确，采用直流电机。所以可以列出电机的型号参数如下。

表2.3 刀片电机型号参数

最大额定型号 电压 额定 功率 额定电流 转速 效率 功率因素 转矩 额定转矩 V Y2-112M-2 380 kW 4 A 8.1 r/min 2890

表2.4 刀架电机型号参数

额定电压 V

最小转矩 额定转矩 倍 1.4 堵转转矩 额定转矩 倍 2.2 堵转电流 额定电流 倍 7.5 % 85.0 cosΦ 0.88 倍 2.3 型号 额定功率 kW 额定电流 A 转速 r/min 最大转最小转堵转转堵转电矩 矩 矩 流 效率 功率因素 额定转额定转额定转额定电矩 矩 矩 流 % cosΦ 倍 倍 倍 倍 5

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Y2-100L2-8

380 1.1 3.4 700 73.0 0.69 2.0 1.2 1.8 5.0 表2.5 台面电机型号参数

额定 功率 kW 1.5 削弱磁场额定电流 转速 效率 时最大转速 A 9.16 r/min 750 % 74.5 r/min 1500 kg·m2 0.18 飞轮力矩 额定电压 型号 V Z2-42 220 2.主电路的其他元件选择

主电路的其他元件的选型就为断路器的选择、交流接触的选择、熔断器的选择、中间继电器的选择表等各种元件的选择。元件的选择对整个设备的性能起到很大的作用。

刀开关是用来控制设备的总电源，三组熔断器是防止电流过大而设计的，热继电器也有同样的效果，但是工作原理不同，由于电机的功率不同，在功率稍小的电机中就未使用交流接触器KM1是控制带锯电机M1的，KM2控制两台磨刀电机，KM3、KM4分别是控制刀架电机M4的正反转的，电磁刹车时给刀架电机其精确定位的，KM5和KM6构成的两组是用来控制台面电机的正反转的，KM7是直流电机回馈制动的。

表2.6 电气主电路其他元件

元件名称 刀开关 接触器 电动机 (1) 刀开关的选择

刀开关主要用于成套配电设备中隔离电源，刀开关的技术规格有：a、额定电压，b、额定电流，c、短时耐受电流，通常用刀开关在1S内所能承受的短路电流峰值表示，d、接通于分断能力，视刀开关的结构不同，可接通与分断250%～600%额定电流，e、机械寿命，用操作次数表示。 我们所用的刀开关是塑壳刀开关,塑壳刀开关是一种结构最简单、应用最广泛的手动电器，由操作手柄、熔丝、触刀、触头底座组成，刀开关的安装时要注意手柄向上，不要倒装或平装，否则会因自动下滑而引起误合闸。接线时，应将电源接线接在上端，负载接在熔丝下端，这样在拉闸后可以安全的更换熔丝。

QS0选选用规格HD11-100/38型单投三极刀开关1只。主要技术参数：

额定交流电压380V，额定交流电流100A。通断能力100A，1S短时耐受电流6KA，动态稳

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元件数量 1个 7个 5台 元件名称 熔断器 热继电器 电磁刹车 元件数量 3组 4组 1个

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定电流峰值15KA。

(2) 熔断器的选择

熔断器是低压配电网中的保护元件之一，主要做短路保护用，当通过熔断器的电流大于规定值时，以及自产生的热量使熔体熔化而自动分断电路。通过熔断器的熔化特性和熔化特性的配合以及熔断器与其他电器的配合，在一定的短路范围内可达到选择性保护。而在本系统中是在电动机回路中用作短路保护，应考虑到电动机的起动条件，按电动机时间长短选择熔体的额定电流，对起动时间不长的场合可按下式决定熔体额定电流Ie：

Ie=Id/(2.5~3) (2.1) 对起动时间长或较频繁起动，按下式决定电流Ie

Ie=Id/(1.6~2.0) (2.2) 式中，Id-电动机的起动电流。

FU1选用RT16-00C型，其主要技术参数： 额定电流32A，额定电压500V，额定功率3.32W。 FU2选用RT16-00C型，其主要技术参数： 额定电流6A，额定电压500V，额定功率0.67W。 FU3选用RT16-00C型，其主要技术参数： 额定电流10A，额定电压500V，额定功率1.14W。 (3) 接触器的选择

交流接触器是一种适用于远距离频繁地接通和分断交流电路的电器，其主要控制对象是电动机，也可用于控制如电焊机、电容器组、电热装置、照明设备等其他负载。接触器具有操作频率高、使用寿命长、工作可靠、性能稳定、维修简便等优点，是用途广泛的控制电路之一。

随使用场合及控制对象不同，接触器的操作条件与工作繁重程度也不同。为了尽可能经济地、正确地选用接触器，必须对控制对象的工作情况以及接触器性能有一较全面的了解，不能仅看产品的铭牌数据，因接触器铭牌上所规定的电压、电流、控制功率等参数为某一使用条件下的额定值，选用时应根据具体使用条件正确选用。

通常，先根据接触器的实际使用类别选用相应的接触器类型。然后，根据接触器控制对象的工作参量（如工作电压、工作电流、控制功率、操作频率、工作制等）确定接触器的容量等级。再按控制电路要求决定接触器的线圈参数。用于特殊环境条件的接触器应选用派生型产品（如湿热带型―TH或符合防爆、防尘、防滴等使用要求的产品）。

交流接触器的负载主要可分为电动机负载与非电动机负载（如电热设备、照明装置、电容器、

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电焊机等）两大类。

本设计中交流接触器使用属于电动机负载，且其负载的轻重程度为一般任务型，其操作频率不高。选用接触器时只要使被选用接触器的额定电压和额定电流等于或稍大于电动机的额定电压和额定电流即可。

KM1、KM3～KM7选用NC6-09 10型，KM2选用NC6-09 08型，其主要技术参数： 额定电压AC 380V，额定工作电流9A，约定发热电流20A，可控三相鼠笼电动机的功率4kW。 (4) 热继电器的选择

热继电器是依靠电流通过发热元时产生的热，使双金属片受热，弯曲而推动机构动作的一种电器，主要用于电动机的过载保护，断相及电流不平衡运行的保护及其他电气设备设备发热状态的控制。因此选用时，必须了解被保护对象的工作环境，起动情况，负载性质，工作制以及电动机允许的过载能力，保护要遵循的原则：应使热继电器的安秒特性位于电动机的过载特性之中，并尽量可能地接近，甚至重合，以充分发挥电动机的过载能力，同时使电动机在短时过载和起动瞬间（5～6Ie）时不受影响。

在热继电器的选择方面还要注意以下的几点：

1.原则上，热继电器的额定电流应按电机的额定电流选择。

2.再不频繁启动的场合，要保证热继电器不会应电机的启动而起误动作。 3.当电机为重复短时工作时，首先注意确定热继电器的允许操作频率。 FR1、FR2选用NR2(JR28)-11.5型，其主要技术参数：

电流等级13，额定绝缘电压690V，具有断相保护、温度补偿、手动与自动复位、脱扣指示、测试按钮、停止按钮，额定电压AC 380V，额定电流1.58A

2.3 控制电路设计 2.3.1 控制系统电路图

操作指令PLC交流接触器拨盘给定值行程开关输入输出接近开关刀片磨刀台面前移台面后移落刀抬刀台面刹车

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图2.2 切割机控制系统原理图

2.3.2 PLC硬件接线图及I/O端口分配

1. PLC控制系统的控制要求 PLC控制系统的控制要求如下：

(1) 系统设有手动、单周期、单步、连续、回原点、五种工作方式，台面在最前面，刀架在最上面，为系统的原点状态。

(2) 台面机构前/后运动时，带锯电机必须已启动，而带锯电机停止时，台面机构前/后运动应立即停止。

(3) 磨刀必须在刀片旋转时才能工作。

(4) 五种工作状态下，按下总停止按钮后，除带锯、磨刀装置外，刀架、台面的动作应立即停止。

(5) 电源接通后控制台面刹车的接触器KM7立即通电。 根据以上的要求，设计出PLC的外部接线图如下图所示：

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图2.3 PLC的外部接线图

根据上图所示切割机的5种工作方式有选择开关控制：当输入点X1接通时为手动方式，X2接通时为回原点方式，X3接通时为单步工作方式，X4接通时为单周期工作方式，X5接通时为连续工作方式。台面在最前面且刀架在抬刀限位称为系统处于原点状态。在公用程序中台面前到位开关X15、抬刀限位开关X20的常开触点的串联电路接通时，“原点条件”辅助继电器M5变为ON。

在选择单周期、连续和单工步工作方式之前，系统应处于原点状态；如果不满足这一条件，可选择回原点工作方式，然后按回原点启动按钮X6，使系统自动返回原点状态。在原点状态，顺序功能图中的初始步M0为ON，为进入单周期、连续和单工步工作方式作好了准备。

高速计数器只有在自动方式下才工作。主要的功能是对在自动方式下的键盘设定值进行比

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较，判断材料的厚度，控制台面的向前或向后运动。对于不同的设定值要有不同的计数值相符合。计数器的计数源就是测速齿轮所送的脉冲个数。

2. I/O端口分配

从上面的控制电路图所示，可以得出下面的分配表：

表2.7 输入端口表 输入元件 接近开关 手动 回原点 单步 单周期 连续 回原点启动 带锯启动 带锯停止 磨刀 总停 落刀限位 抬刀限位 台面前限位 台面后限位 落刀 抬刀 台面向前 输入点 X0 X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X10 X11 X12 X13 X14 X15 X16 X17 X20 X21 表2.8 输出端口表

输出元件 KM1 KM2 KM7 KM5 输出点 Y0 Y1 Y2 Y3 输出元件 KM6 KM3 KM4 L1 输出点 Y4 Y5 Y6 Y7 输入元件 台面向后 刀架停止 台面停止 总停 预停 小数位1 小数位2 小数位4 小数位8 个位1 个位2 个位4 个位8 十位1 十位2 十位4 十位8 百位1 输入点 X22 X23 X24 X25 X26 X27 X30 X31 X32 X33 X34 X35 X36 X37 X40 X41 X42 X43 11

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2.3.3 电气元件的配置

1. 刀开关QS1：刀开关QS1串接控制主电路的单相电源，选用规格HD11-100/28型单投双极刀开关1只。主要技术参数：

额定交流电压220V，额定交流电流100A。通断能力100A，1S短时耐受电流6kA，动态稳定电流峰值15kA。

2. 熔断器FU4：选用RT18K-25型，主要技术参数：

壳架等级额定电流25A，额定电流2A，额定电压AC 220V，额定断路分断能力：220V/50kA。 3. 按钮SB1、SB2、SB5、SB15：选用NP4-20BN/2型，颜色为绿色，按钮SB3、SB10、SB11、SB12、SB13、SB14：选用NP4-20BN/4型，颜色为红色，按钮SB4、SB6、SB7、SB8、SB9：选用NP4-20BN/6型，颜色为蓝色。NP4系列按钮其主要技术参数如下：

额定绝缘电压380V，额定交流工作电压AC 220V，约定发热电流10A，额定交流工作电流4.5A。额定直流工作电压24V,额定直流工作电流2.5A。

4. 行程开关SQ1～SQ4：选用YBLX-K3/20HS/Z型，其主要技术参数：

额定交流电压AC 380V，额定直流电压DC 220V，额定控制容量交流200VA直流50W,含1对常开和1对常闭触点，动作最大行程3mm，最大差程1.2mm，最大操动力30N，最小回复力5N,最大全行程6.0mm。

5. 信号指示灯：选用ND16-22B/4型，其主要技术参数： 额定交流电压220V，额定电流≤20mA，指示灯选红色。 6. 接触器：选用NCH 8-20型，其主要计数参数：

额定绝缘电压500V，额定工作电压AC 230V，约定发热电流20A，额定工作电流20A，控制功率4Kw

7. 接近开关：选用E2E-X20DM8，其主要技术参数：

检测距离20mm±10%，设定距离*1：0～16mm，应差距离：检测距离的10%以下，标准检测物体：铁54×54×1mm，应答频率*2：0.1kHz，电源电压（使用电压范围）：DC12～24V 脉动(p-p)10％以下 （DC10～30V）。

8. 拨盘开关：选用A7CN型，其主要技术参数：

开关负载容量（阻性负载）：1mA～0.1A、DC5～30V，连续通电电流：1A，接触电阻，200mΩ以下，操作力：4.41N以下。

9. 转换开关：选用LW5D16F/5型，其主要技术参数：

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绝缘电压500V，发热电流16A。

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第三章 软件设计

3.1 系统的软件设计概述

为了满足生产需要，很多工业设备要求设置多种工作方式，如手动和自动（包括连续、单周期、单步等、自动返回初始状态）工作方式。手动程序比较简单，一般采用经验法设计，复杂的自动程序一般根据系统的顺序功能图用顺序控制法设计。

具有多种工作方式的控制系统的梯形图总体结构如图3.1所示。选择手动工作方式时手动开关X1为ON，将跳过自动程序，执行公用程序和手动程序。选择自动工作方式时X1为OFF，将跳过手动程序，执行公用程序和自动程序。

图3.1 自动／手动程序

3.2 公用程序设计

公用程序（见图3.2）用于自动程序和手动程序互相切换处理，当系统处于手动工作方式时，必须将除初始步以外的各步对应的辅助继电器（M20~M24）复位，同时将表示连续工作状态的M7复位，否则当系统从自动工作方式切换到手动工作方式，然后又返回自动工作方式时，可能会出现同时有两个活动步的异常情况，引起错误动作。

公用程序的作用是控制带锯的启动，磨刀的启动和台面的刹车，控制的要求是台面机构前/后运动时，带锯电机必须已启动，而带锯电机停止时，台面机构前/后运动应立即停止，磨刀必须在刀片旋转时才能工作。

当切割机处于原点状态（M5 ON），开始执行用户程序（M8002为ON）、系统处于手动状态或回原点状态（X1或X2为ON）时，初始步对应的M0将被置位，为进入单步、单周期和连续工作方式做好准备、如果此时M5为OFF状态，M0将被复位，初始步为不活动步，系统不能在

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单步、单周期、和连续工作方式工作。

图3.2 公用程序

3.3 手动程序设

图3.3手动操作时用X17～X24对应的6个按钮控制切割机的抬刀、落刀、台面向前、台面向后、刀架停止、台面停止。为了保证系统的安全运行，在手动程序中设置了一些必要的联锁，例如抬刀与落刀之间，台面向前与台面向后之间的互锁，以防止功能相反的两个输出继电器同时为ON。根据控制要求，台面机构前/后运动时，带锯电机必须已起动，而带锯电机停止时，台面机构前/后运动应立即停止。所以控制带锯的Y0线圈与控制台面向前/后的Y3和Y4线圈串联。当按下总停按钮，X25的常闭触点断开，不执行MC到MCR的指令，刀架、台面的动作立即停止。磨刀必须在刀片旋转时才能工作，所以在控制磨刀的Y1线圈串联Y0的常开触点。

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图3.3 手动程序

3.4 自动程序设计

在自动程序的过程中是切割机自动的对泡沫材料进行切割，自动判断切片的厚度，切割刀片的切割深度，切片的深度是由测速齿轮和计数器共同完成，在刀架下移的过程中测速齿轮也在跟随转动，每转动一圈向计数器发送5个脉冲并判断切割的厚度。在自动程序中首先是要对切割厚度进行设置，厚度是由拨盘开关设定的，在落刀时，当材料的完成的落刀量达到设定值刀架停止移动，继而台面前移，对材料进行切割。

3.4.1 自动控制程序

图3.4是切割机控制系统自动程序的顺序功能图。

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图3.4 切割机自动控制顺序功能图

图3.5是用转换为中心的编程方式设计的自动控制程序（不包括自动返回原点程序），M0和M20~M24用转换为中心编程控制，系统工作在连续、单周期（非单步）工资方式时，X3的常闭触点接通，使M6（转换允许）为ON，允许步与步之间的转换。

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图3.5 自动控制程序梯形图

假设选择的是单周期工作方式，此时X4为ON，X2和X3的常闭触点闭合，M6的线圈“通电”，允许转换。在初始步时按下起动按钮X12，在M20起动的电路中，M0，X12的常开触点和X2的常闭触点均接通，使M20的线圈“通电”，转换到台面后移步，台面碰到台面后到位限位开关X16时，M21的线圈“通电”，转换到计算脉冲数步。开始计数T0线圈“通电”，定时时间到后，T0的常开触点接通，计算脉冲数完成使系统进入落刀步。C235的常开触点闭合时，M23的线圈“通电”，系统完成落刀量进入台面前移步。以后系统将这样一步一步地工作下去，当切割机台面在步M23返回最前到位时，X15为ON，因为此时不是连续工作方式，M7处于OFF状

———

态，转换条件M7·X15满足，系统返回并停留在初始步。

在连续工作方式X5为ON，在初始状态下按下启动起动按钮X12，与单周期工作方式相同，

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M20变为ON，台面后移，与此同时，控制连续工作的M7的线圈“通电”并自保持，以后的工作过程与单周期工作方式相同，当切割机台面在步M23返回最前到位时，X15为ON，因为M7为ON，转换条件M7·X15满足，系统将返回步M20，反复连续地工作下去，按下预停按钮X26后，M7变为OFF，但是系统不会立即停止工作，在完成当时工作周期的全部操作后，切割机台

———

面在步M23返回最前面，台面前到位开关X15为ON，转换条件M7·X15满足，系统才返回并停留在初始步。

如果系统处于单步工作方式，X3为OFF，它的常闭触点断开，“转换允许”辅助继电器M6在一般情况下为OFF，不允许步与步之间的转换。设系统处于初始状态，M0为ON，按下起动按钮X12，M6变为OFF，使M20的起动电路接通，系统进入台面后移步。放开起动按钮后，M6马上变为OFF。在台面后移步，Y4的线圈“通电”，台面后移到台面后到位开关X16处时，与Y4的线圈串联的X16的常闭触点断开（见图3.6），使Y4的线圈“断电”，台面停止后移。X16的常开触点闭合后，如果没有按起动按钮，X12和M6处于OFF状态，一直要等到按下起动按钮，M12和M6变为ON，M6的常开触点接通，转换条件X16才能使M21的起动电路接通，系统才能由台面后移步进入计算脉冲数步。在完成某一步的操作后，都必须按一次起动按钮，系统才能进入下一步。

当切割机的刀架下移到落刀限位，这时表明材料已经全部切割完毕，为了方便下次的装料，刀架必须上移到抬刀限位，这时就可以停机了，系统将会自动停机。这时算是自动程序执行完毕，系统只有在重新上料后才能开始工作。

3.4.2 自动输出程序

图3.6是自动控制程序的输出电路，图3.6中X13~X16的常闭触点是为单步工作方式设置的，以台面后移为例，当切割机的台面碰到限位开关X16后，与台面后退步对应的辅助继电器M20不会马上变为OFF，如果Y4的线圈不与X16的常闭触点串联，台面不会停在台面后到位开关X16处，还会继续后退，在这种情况下可能造成事故。

为了避免出现双线圈现象，在图3.6中，将自动控制的顺序功能图（图3.4）与自动返回原点的顺序功能图（图3.7中）对Y3和Y6线圈的控制合在一起。

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图3.6 自动控制程序输出电路

3.4.3 自动回原点程序

图3.7 自动返回原点的顺序功能图

图3.7，3.8是自动回原点程序的顺序功能图和用转换为中心编程设计的梯形图。在回原点工作方式（X2为ON），按下回原点起动按钮X6，M10变为ON，切割机台面前移前移，前移碰到台面前到位开关X15时，X15变为ON，刀架抬刀，到抬刀限位开关时，X14为ON，将M11步复位。这时原点条件满足，在公用程序（图3.2）中的M5为ON，初始步M0被置位，为进入单周期、连续和单步工作方式作好了准备，因此可以认为步M0是步M11的后续步。

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图3.8 自动返回原点的梯形图

3.5 报警程序

在键盘的输入时会出现一个问题，就是输入值不能超过9，比如在2或4的开关闭合后8开关再闭合就会出现混乱，这时系统就会将数据寄存器D0的值清零并报警，提示要从新设定值。程序如图3.10，小数位8和小数位2，小数位8和小数位4常开触点串联，当小数位8和小数位2或小数位8和小数位4的开关同时接通时，Y0的线圈“通电”，发出报警信号。个位和十位产生报警信号与小数位的同理。

图3.10 报警程序

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第四章 系统的安装与调试

4.1 程序的仿真和调试

在系统的软件设计完成后，接下来的任务就是调试并完善程序。首先采用三菱公司提供的PLC编程和仿真软件GX DEVELOPER。先对梯形图进行检验然后进行软件仿真。如图4.1，先编写好梯形图然后点“变换”，再选择工具菜单中的“程序检查”，当显示没有错误时就可以选择“梯形图逻辑测试起动”，就可以进行仿真工作了。

图4.1 软件仿真界面

程序的调试是对程序的验证和完善的最好的方式，在程序的调试过程中发现了许多在程序设计时未能注意到的，比如，由于系统的特殊性，比如在刀架下移时台面不能移动等，这些特殊的控制要求就使得程序的调转就显得复杂，哪个环节设计的不好就会导致出问题，有可能将会导致刀片断裂，发生危险，所以在调试过程中最好不用刀片而确保安全，还可以用粗线代替刀片这样不仅安全，而且还能直观的看到切割的厚度和切割的线路。

4.2 系统的安装

切割机的安装很重要的一个就是人机界面的设计，也就是控制面板的设计。控制面板的设计必须要人性化，人性化的设计才能使操作起来跟方便，提高工作效率。在设计控制面板时可以参考许多的市面上销售的工业产品，毕竟他们的经验丰富，这样也能节约很多的设计时间。

在控制切割机时在难免的是按错按钮，在初次接触本系统不熟悉按钮分布情况下按错按钮的机会是很大的，这就要控制面板要十分的人性化，要设计者十分清楚人的操作习惯，只要操作者操作过几次后就对控制按钮十分的熟悉。在此控制面板的设计就十分符合这一点。控制方式的切

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换刀开设计在控制面板的中间，操作的手多用右手，由于系统的工作方式多用手动方式，而人的右手顺时针拧得力矩比往逆时针拧的力矩大的多，所以就将自动方式设计在右边。下图就是控制面板设计图：

图4.2 控制面

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第五章 总结

本次毕业设计在指导老师和公司同事的帮助下，经过自己的努力，基本上完成了毕业设计任务书中的要求。使用可编程控制软件来实现切割机的自动切割。整个控制系统能实现基本的控制要求。

通过这一阶段的毕业设计，我受益匪浅，不仅锻炼了良好的逻辑思维能力，而且培养了弃而不舍的求学精神和严谨作风。回顾此次毕业设计，是大学四年所学知识很好的总结。

本次毕业设计让我系统性地认识和全面地掌握了PLC编程和调试技术，对梯形图、指令表、外部接线图及PLC设计原理有了更深的了解。让我将平时学的东西能学以致用。当然平时学的永远是不够用的，就比如要完成好这次的毕业设计，不能单单从机械动作过程来直接设计控制电路，我需要了解整台设备机械构造，所以我需要学会看工程图纸，了解整台设备的设计过程，装配次序。这样才能在后期的调试中更好的去修改和完善。

由于时间及精力有限，在调试过程中还发现存在诸多不足之处，有待进一步完善。虽然切割机能够按照指定动作完成切割动作，但是由于机械构造等原因，切割出来的产品合格率很低。随着社会生产水平的提高，科学的进步，我相信这部切割机会越来越完善的。

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参考文献

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[3] 杨晖，张凤言．大规模可编程逻辑器件与数字系统设计[M]．北京：北京航天航空大学出版社，2001 [4] 王卫兵，高俊山等。可编程控制器原理及应用［M］.2版.北京：机械工业出版社，2002. [5] 程子华.PLC原理与编程实例分析[M].北京：国防工业出版社，2007. [6] 方承远.工厂电气控制技术[M]. 北京：机械工业出版社，2000. [7] 陈立定.电气控制与可编程控制器[M]. 北京：高等教育出版社，2002. [8] 范永胜，王岷.电气控制与PLC原理及应用[M]. 北京：中国电力出版社，2005. [9] MITSUBISHI ELECTRIC CORPORATION.FX-PCS/WIN-C软件手册，1997. [10] MITSUBISHI ELECTRIC CORPORATION.FX1N使用手册，2000.

[11] MITSUBISHI ELECTRIC CORPORATION.FX1S FX1N FX2N FX2NC 编程手册，2001. [12] MITSUBISHI ELECTRIC CORPORATION.FX系列特殊功能模块用户手册，2001.

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致谢词

首先我要感谢我的指导老师楼赣菲老师，感谢老师在做设计这段时间对我的帮助，不管是在学习上还是在日常生活中都给了我最大的支持和帮助。在此，我谨向我的指导老师表示衷心的感谢！

我还要感谢丽水鸿丽锁业自动化部门的各位同事！

没有他们的帮助，我就不能这么顺利的完成任务，再次向他们表示感谢！

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附录一 PLC外部接线图

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附录二 元件清单

名称 可编程控制器 带锯电机 刀架电机 磨刀电机 台面电机 接触器 电气文字符号 PLC M1 M4 M2 M3 M KM1、KM3~KM7 接触器 接触器 熔断器 熔断器 熔断器 熔断器 闸刀开关 闸刀开关 热继电器 转换开关 接近开关 行程开关 拨盘开关 信号指示灯 KM2 KM0 FU1 FU2 FU3 FU4 QS0 QS1 FR1 FR2 SA SQ0 SQ1~SQ4 DIP L1 NC6-09 08 NCH 8-20 RT16-00C RT16-00C RT16-00C RT18K-25 HD11-100/38 HD11-100/28 NR2(JR28)-11.5 LW5D16F/5 E2E-X20DM8 YBLX-K3/20HS/Z A7CN ND16-22B/4 1 1 3 2 3 1 1 1 2 1 1 4 4 1 型号 FX2N-80MS Y2-112M-2 Y2-100L2-8 JY09B-2 Z2-42 NC6-09 10 数量 1 1 1 1 1 6

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附录三 总程序指令表

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